有機(jī)改性蒙脫土吸附黃曲霉毒素B1能力的研究

孫思遠(yuǎn) 刁恩杰 李向陽 楚 璇 王家升 董海洲

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 淮陰師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

有機(jī)改性蒙脫土吸附黃曲霉毒素B1能力的研究

孫思遠(yuǎn)1刁恩杰2李向陽 楚 璇1王家升1董海洲1

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 淮陰師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 淮安 223300)

利用十八烷基三甲基溴化銨(OTMAB)作為有機(jī)改性劑對(duì)鈉基蒙脫土(Na-MMT)進(jìn)行改性，以提高對(duì)黃曲霉毒素B1(AFB1)的吸附能力。改性后的鈉基蒙脫土利用X-射線衍射(XRD)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電鏡(SEM)及熱失重分析(TGA)等方法對(duì)其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，改性劑OTMAB插入到鈉基蒙脫土的夾層內(nèi)并擴(kuò)大了其夾層間距(d0.01)，增大了其比表面積。改性蒙脫土對(duì)AFB1的吸附等溫線符合Langmuir數(shù)學(xué)模型。有機(jī)改性Na-MMT對(duì)AFB1的最大吸附量(qmax)為34.25 mg/g，Langmuir吸附常數(shù)(k)為3.65 L/mg，均高于未改性的Na-MMT(qmax= 28.74 mg/g和k= 2.37 L/mg)，說明有機(jī)改性能夠有效提高Na-MMT對(duì)AFB1的吸附能力。

黃曲霉毒素B1；鈉基蒙脫土；有機(jī)改性；吸附能力；十八烷基三甲基溴化銨

黃曲霉毒素B1(Aflatoxin B1，AFB1)是由黃曲霉和寄生曲霉產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，在很多植物油如花生油、玉米油、米糠油中經(jīng)常被檢測到[1-2]。AFB1具有強(qiáng)烈的致癌、致畸和致突變性，被國際癌癥組織定為I類致癌物[3-4]。很多國家經(jīng)常利用鈉基蒙脫土(Na-MMT)、酸性白土等吸附食用油中污染的AFB1。Na-MMT具有較強(qiáng)的離子交換性、吸附性和較大的比表面積。然而，Na-MMT是親水性的硅酸鹽，易聚團(tuán)而很難均勻分散于植物油中，限制了其對(duì)植物油中AFB1的吸附能力。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)用長鏈季銨鹽對(duì)層狀硅酸鹽進(jìn)行化學(xué)改性可增加其表面疏水性[5]，并用于去除剛果紅、甲基橙和2-萘酚等有機(jī)污染物[6-8]。當(dāng)前，利用長鏈季銨鹽十八烷基三甲基溴化銨(OTMAB)改性Na-MMT以改善其吸附AFB1能力的研究未見報(bào)道。因此，本研究擬利用OTMAB對(duì)Na-MMT進(jìn)行有機(jī)改性，并在模式系統(tǒng)下(AFB1乙腈溶液)研究有機(jī)改性Na-MMT對(duì)AFB1吸附能力的影響；同時(shí)利用X-射線衍射(XRD)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電鏡(SEM)及熱失重分析(TGA)探討改性Na-MMT對(duì)AFB1吸附能力產(chǎn)生影響的因素，為新型黃曲霉毒素高效吸附劑的開發(fā)及商業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

黃曲霉毒素B1標(biāo)準(zhǔn)品(AFB1，C17H12O6)：純度>98%，上海生物工程有限公司；

鈉基蒙脫土(Na-MMT)：純度>95%，CEC 110 mol/kg，浙江豐虹新材料股份有限公司；

十八烷基三甲基溴化銨(OTMAB，C21H46BrN)：純度>99%，上海華藍(lán)化學(xué)科技有限公司；

無水乙醇、正己烷：分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；

乙腈：色譜純，山東禹王實(shí)業(yè)有限公司化工分公司；

三氟乙酸：分析純，成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子分析天平：AY 220型，日本島津公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101 A-1型，黃驊市卸甲綜合電器廠；

智能生化反應(yīng)裝置：ZN-3000型，鄭州長城科工有限公司；

恒溫磁力攪拌器：HJ-6A型，金壇市華偉儀器廠；

離心機(jī)：LXJ-ⅡB型，上海安亭科學(xué)儀器廠；

高效液相色譜：島津LC-20AT型，島津公司；

傅立葉變換紅外光譜儀：Nicolet iS5型，美國Thermo Fisher Scientific 公司；

高級(jí)X射線衍射儀：AXS-D8型，德國Bruker公司；

熱重分析儀：TA-60型，日本島津公司；

掃描電鏡：JSM-6610LV型，日本JEOL電子公司。

1.2 方法

1.2.1 改性蒙脫土的制備 將Na-MMT置于烘箱中，50 ℃烘至完全干燥。將去離子水倒入反應(yīng)釜中，升溫至60 ℃并保持恒溫，按照Na-MMT∶H2O=1∶5(g/mL)比例將Na-MMT緩慢加入到去離子水中，于300 r/min攪拌2 h，形成均一的Na-MMT懸浮液。將Na-MMT重量比為2.5%的OTMAB改性劑用少量無水乙醇溶解，再緩慢加入到Na-MMT懸浮液中恒溫(60 ℃)反應(yīng)2 h，再將混合液于3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，沉淀用去離子水清洗數(shù)次直至用AgNO3溶液(0.1 mol/L)檢測不出溴離子(清洗水中無淡黃色絮狀沉淀)，獲得OTMAB改性蒙脫土。將獲得的OTMAB改性蒙脫土在60 ℃烘干至顏色由灰色變成純白色，粉碎后過200目篩，得到的有機(jī)改性蒙脫土(OTMAB-MMT)用于試驗(yàn)研究。

1.2.2 模式系統(tǒng)下的吸附試驗(yàn) 稱取一定量的AFB1標(biāo)準(zhǔn)品溶于乙腈溶液中，配制成濃度為1 000 μg/L的AFB1儲(chǔ)備溶液，按比例用乙腈溶液稀釋成50～1 000 μg/L的AFB1模式溶液用于吸附試驗(yàn)。將0.6 g的OTMAB-MMT加入至30 mL不同濃度的AFB1溶液中，室溫下于300 r/min連續(xù)攪拌10 min進(jìn)行吸附。吸附過后，OTMAB-MMT以5 000 r/min離心10 min。上清溶液(乙腈溶液)中殘留的AFB1用高效液相色譜法進(jìn)行檢測[9]。沉淀于60 ℃的烘箱中加熱烘干除去乙腈，進(jìn)一步做XRD、FTIR、SEM及TGA分析，用于探討改性前后Na-MMT結(jié)構(gòu)及吸附AFB1能力的變化。未改性的Na-MMT做對(duì)照。

1.2.3 Langmuir吸附模型建立 Langmuir吸附方程常用于描述吸附等溫線，其圖形形狀為吸附機(jī)理的分析提供了一定的依據(jù)，方程的特征參數(shù)也為吸附能力的預(yù)測提供了重要的參數(shù)。Langmuir假設(shè)：吸附劑表面均勻，各處的吸附能力相同；吸附具有單分子層特性，當(dāng)吸附劑表面的吸附質(zhì)達(dá)到飽和時(shí)，其吸附量達(dá)到最大值；在吸附劑表面上的各個(gè)吸附點(diǎn)沒有吸附質(zhì)轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)；達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，吸附和解吸速度相等。其方程式表示為：

(1)

式中：

Ce——吸附平衡時(shí)溶液中剩余AFB1濃度，mg/L；

qe——吸附平衡時(shí)吸附劑上AFB1的吸附量，mg/g；

qmax——對(duì)AFB1最大吸附量，mg/g；

k——Langmuir吸附常數(shù)，L/mg。

1.2.4 Na-MMT改性前后結(jié)構(gòu)及吸附AFB1能力變化

(1) XRD分析：利用X射線衍射儀對(duì)Na-MMT或OTMAB-MMT進(jìn)行分析，測定溫度為室溫、相對(duì)濕度為60%，樣品測試衍射角2θ范圍為2～10°，測試速率為0.02 °/s，步幅1 °/min。

(2) FTIR分析：利用傅立葉變換紅外光譜對(duì)Na-MMT或OTMAB-MMT進(jìn)行分析，波長范圍為500～4 500 cm-1，分辨率為4 cm-1，累計(jì)掃描數(shù)為32。

(3) SEM分析：將Na-MMT或OTMAB-MMT樣品粉末放入IB-5離子濺射儀中進(jìn)行噴金，取出放入掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描觀察并拍照；加速電壓為20 kV，工作距離為10～11 mm。

(4) TGA分析：Na-MMT與OTMAB-MMT的熱失重用熱重分析儀進(jìn)行分析。測試溫度范圍為25～600 ℃，升溫速率為25 ℃/min，氣體環(huán)境為N2，氣流速度為50 mL/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

每組試驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù)，并采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 OTMAB-MMT吸附AFB1試驗(yàn)

Na-MMT與OTMAB-MMT吸附等溫線見圖1。由圖1可知，在AFB1處于較低的平衡濃度下(0.0～0.3 mg/L)，Na-MMT與OTMAB-MMT吸附AFB1的能力快速上升；當(dāng)AFB1平衡濃度超過0.3 mg/L時(shí)，趨于平緩。一些研究[6-7]人員也在試驗(yàn)中得到了類似的結(jié)果。

另外，Na-MMT與OTMAB-MMT吸附等溫線都遵循Langmuir吸附等溫線模型(L形)。Na-MMT與OTMAB-MMT吸附AFB1的Langmuir參數(shù)見表1。很多文獻(xiàn)[10-11]建議當(dāng)R2大于0.89時(shí)吸附作用遵循Langmuir模型。由表1 可知，Na-MMT與OTMAB-MMT的R2均大于0.89，進(jìn)一步說明它們的吸附等溫線遵循Langmuir模型。另外，OTMAB-MMT的qmax與k值也都大于Na-MMT，表明有機(jī)改性能夠提高Na-MMT吸附AFB1的能力。引起這種變化的原因可能是：① Na-MMT有機(jī)改性增大了其親油性能，進(jìn)而增加其表面親和力；② OTMAB-MMT的表面帶正電荷，而AFB1分子帶負(fù)電荷，通過離子偶極相互作用促進(jìn)了其對(duì)AFB1分子的吸附[7]。另外，L-型的吸附等溫線表明AFB1分子是以單層吸附形式吸附在Na-MMT或OTMAB-MMT上，且Langmuir方程適用于均相吸附[6-7,12-13]。從幾何學(xué)看AFB1分子接近一個(gè)平面，約占1.38 nm2的表面積[13]，基于Na-MMT的最大吸附量為28.57 mg/g和OTMAB-MMT的最大吸附量為34.48 mg/g，需要吸附劑的比表面積分別為76.56，91.24 m2/g。需求如此大的比表面積表明AFB1分子已插入到Na-MMT或OTMAB-MMT層間。

2.2 Na-MMT與OTMAB-MMT特性

由圖2可知，Na-MMT與OTMAB-MMT在3 624，798 cm-1處是Al—OH的吸收峰，1 039 cm-1處是Si—O的吸收峰，916，840 cm-1處是Si—O—Si的吸收峰。在3 449 cm-1處的吸收峰是Na-MMT上水分子的—OH伸縮振動(dòng)峰，經(jīng)OTMAB改性后呈減弱趨勢。這表明OTMAB上的水合陽離子替換了原來的水分子使其減少，并導(dǎo)致了Na-MMT的表面性能發(fā)生改變，由親水性轉(zhuǎn)換成疏水性[7]。另外，OTMAB-MMT分別在2 924，2 850，1 470 cm-1處呈現(xiàn)對(duì)稱和不對(duì)稱的—CH2和—CH3的伸縮振動(dòng)吸收峰，表明OTMAB已經(jīng)插入到Na-MMT的夾層空間[14]。

由圖 3 可知，6.03° 處的衍射峰是Na-MMT的特征衍射峰，所對(duì)映的層面間距(d0.01)是1.47 nm。經(jīng)OTMAB改性后的Na-MMT特征衍射峰向低角度移動(dòng)，由6.03° 移動(dòng)到5.85°，所對(duì)映的層面間距(d0.01)為1.51 nm。這表明OTMAB改性劑通過與鈉離子和其他無機(jī)離子進(jìn)行離子交換插入到Na-MMT的層間，OTMAB的長烷基鏈增大了Na-MMT的層間距[15]。

由圖4可知，在33～600 ℃熱失重曲線中出現(xiàn)了3個(gè)階段的質(zhì)量損失，不同階段的質(zhì)量損失見表2。在33～130 ℃的熱失重曲線中，Na-MMT與OTMAB-MMT的質(zhì)量損失是由表面吸附水和蒙脫土中可交換陽離子表面水分子的損失導(dǎo)致的[7,16]。由表2可知，Na-MMT在這一階段的質(zhì)量損失大于OTMAB-MMT，表明有機(jī)改性可以改變蒙脫土的表面性能。這是因?yàn)镺TMAB替換了水合的鈉離子，使其由親水性變成了疏水性[7]。在第二個(gè)階段130～250 ℃的熱失重曲線中，Na-MMT與OTMAB-MMT失重率都下降緩慢，OTMAB-MMT的質(zhì)量損失率要小于Na-MMT。這是因?yàn)榕c水分子相比，OTMAB熱分解需要更高的溫度。在這個(gè)階段的質(zhì)量損失是化學(xué)吸附水的減少。在第三個(gè)階段250～600 ℃的熱失重曲線中，OTMAB-MMT的質(zhì)量損失要遠(yuǎn)大于Na-MMT。這是由于OTMAB-MMT在此溫度范圍內(nèi)夾層內(nèi)的OTMAB的蒸發(fā)或分解(OTMAB熔點(diǎn)～250 ℃)引起的。另外，具有羥基結(jié)構(gòu)的Na-MMT與OTMAB-MMT在這一階段也會(huì)發(fā)生脫羥基作用造成質(zhì)量損失。Ni等[17-18]在試驗(yàn)中也得到了相似的結(jié)果。

由圖5可知，Na-MMT是致密的片層晶體顆粒，片層較大，結(jié)構(gòu)清晰，層次感明顯，表面結(jié)構(gòu)平坦規(guī)整。而OTMAB-MMT片層較小且多孔，表面結(jié)構(gòu)卷曲松散，片層周邊變圓滑，比表面積增大。這種形態(tài)有利于AFB1分子進(jìn)入到OTMAB-MMT層間，導(dǎo)致AFB1吸附量增大。

2.3 吸附AFB1前后OTMAB-MMT特性

由圖6可知，OTMAB-MMT在5.85° 出現(xiàn)特征衍射峰，對(duì)應(yīng)的層間距(d0.01)是1.51 nm。在吸附AFB1后，OTMAB-MMT的特征衍射峰向低角度移動(dòng)，由5.85° 移動(dòng)到5.76°，對(duì)應(yīng)的層間距(d0.01)變?yōu)?.53 nm。這表明OTMAB-MMT對(duì)AFB1的化學(xué)吸附作用發(fā)生在其夾層空間[18]。

由圖7可知，在33～600 ℃出現(xiàn)3個(gè)階段的質(zhì)量損失，不同階段的質(zhì)量損失見表3。OTMAB-MMT在吸附AFB1后的前兩個(gè)階段質(zhì)量損失要遠(yuǎn)大于吸附前。在熱失重第二個(gè)階段，OTMAB-MMT吸附AFB1后的質(zhì)量損失是吸附前的2倍多，這主要是因?yàn)樵诖藴囟确秶鷥?nèi)包含了吸附的AFB1的蒸發(fā)或分解(AFB1熔點(diǎn)～268 ℃)。這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)AFB1分子插入到OTMAB-MMT的夾層間。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明Na-MMT經(jīng)OTMAB有機(jī)改性后可有效提高其對(duì)AFB1的吸附能力，且仍遵循Langmuir方程。AFB1分子主要以單層形式吸附在OTMAB-MMT層間內(nèi)。Na-MMT通過有機(jī)改性提高了其夾層間距，增加了其親油性能，改善了其在有機(jī)溶劑中的分散性。為了減少干擾，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究選擇在模式系統(tǒng)下進(jìn)行，不能全面反映實(shí)際生產(chǎn)狀況，下一步將對(duì)改性Na-MMT應(yīng)用于食用油中黃曲霉毒素脫除研究，為其商業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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Research on adsorption capacity of organically modified Na-montmotillonite for Aflatoxin B1

SUN Si-yuan1DIAOEn-jie21LIXiang-yang1CHUXuan1WANGJia-sheng1DONGHai-zhou1

(1.CollegeofFoodScience&Engineering,ShandongAgriculturalUniversity,Taian,Shandong271018,China; 2.CollegeofLifeScience,HuaiyinNormalUniversity,Huaian,Jiangsu223300,China)

Na-montmotillonite (Na-MMT) was organically modified using Octadecy Trimethyl Ammonium Bromide (OTMAB) as a modifier to improve its adsorption capacity of aflatoxin B1(AFB1). The modified Na-MMT is characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, Scanning electron microscopy (SEM), and Thermogravimetric analysis (TGA). The results showed that the OTMAB was intercalated into the Na-MMT, expanded its interlayer spacing (d0.01), and increased its specific surface area. The adsorption isotherm of AFB1on the modified Na-MMT is followed the Langmuir equation. The maximum adsorption capacity (qmax) and the Langmuir adsorption coefficient (k) of modified Na-MMT for AFB1were 34.25 mg/g and 3.65 L/mg, respectively, which were both larger than those of Na-MMT (i.e.qmax=28.74 mg/g,k=2.37 L/mg), indicated that the organic modification could increase the adsorption capacity of Na-MMT for AFB1.

Aflatoxin B1; Na-montmotillonite; Organic modification; Adsorption capacity; Octadecy trimethyl ammonium bromide

山東省高等學(xué)?？萍及l(fā)展計(jì)劃(編號(hào)：J14LE15)；山東省自主創(chuàng)新專項(xiàng)(編號(hào)：2014ZZCX07204)

孫思遠(yuǎn)，男，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

刁恩杰(1977—)，男，淮陰師范學(xué)院副教授，博士。 E-mail: dej110@163.com

2016—12—26

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.014